Технология маскирования при ионной имплантации

Маски формируют из SiО₂, Si₃N₄, W, Мо, Аu и др. Толщины масок 0,1 ... 2 мкм. Они должны быть достаточно толстыми для полного торможения бомбардирующих ионов, иметь низкий коэффициент распыления ионным пучком и хорошо растворяться после облучения.

Большие дозы имплантации приводят к изменению физико-химических свойств маскирующих пленок. Так имплантация ионов Al в пленку SiO₂ приводит к образованию смешанных оксидов SiO₂–Аl₂Oз, обладающих повышенной химической стойкостью к действию растворителей по сравнению с чистой SiO₂.

Применение фоторезистов ограничивает температуру проведения ионной имплантации (не более 100 °С). Фоторезист под действием доз более 10¹⁴ ион∙см^-2 вследствие частичной полимеризации также становится труднорастворимым. Маскирование пленками металлов требует соблюдения особой осторожности, так как при имплантации возможно занесение атомов маски в полупроводниковые слои. В ряде случаев между слоями полупроводника и металлической маскирующей пленки создают тонкий слой диэлектрика, например SiO₂.

Гетерирование

Гетерированием называется удаление нежелательных примесей и дефектов. Процесс гетерирования состоит в следующем: высвобождение примесей из химических соединений или разложение протяженных дефектов на составные части, диффузия примесей или составных частей дислокаций к зонам захвата (стокам), поглощение примесей или междоузельных атомов стоком. Под стоками понимают области полупроводника, куда попадают примесные или собственные атомы, которые затем перестают влиять на физические свойства этого полупроводника. Сток обычно связан с нарушением кристаллической решетки, например наличием плоскости сшивания двух монокристаллических блоков.

Диффузия фосфора является эффективным методом гетерирования Cu. Атомы Cu в Si в основном находятся в междоузлиях, забирая электроны у атомов P они переходят в трижды ионизированное состояние Сu^3- и образуют пары Р⁺Сu^3-. При больших дозах имплантированных ионов (более 10¹⁶ ион∙см^-2) последующая термообработка приводит к появлению дислокаций и поликристаллических зон с образованием границ, зерен. Например, внедрение в кремниевую пластину ионов инертных газов приводит к формированию при отжиге пузырьков газа, ограниченных кристаллографическими поверхностями. На этих поверхностях происходит эпитаксиальное наращивание новых слоев, таким образом, во время отжига формируется поликристаллическая структура на границах зерен, при этом происходит эффективное гетерирование примесей.

8.6. Преимущества и недостатки ионного легирования

Достоинства ионной имплантации:

• быстрый процесс;

• можно проводить при Т_к;

• применять для легирования примесями с низкими коэффициентами диффузии или низкими растворимостями в твердой фазе, а также для легирования полупроводников с низкой температурой плавления (InAs) или полупроводников, диффузионное легирование которых требует очень высоких температур (SiC);

• точная дозировка примеси (теоретически – 1%, практически – 5%);

• высокая чистота;

• расширенная возможность локального легирования (широкий круг маскирующих материалов, меньше боковое легирование);

• можно легировать вообще через маску;

• возможность получения управляемого профиля распределения – вплоть до формирования захороненного слоя.

• возможность создания мелких переходов является основным достоинством процесса ИИ. Технически осуществимым является сосредоточение легирующих примесей в слое толщиной 20 нм, это значит, что р—n-переход будет заметен на глубине около 40 атомных слоев. Создание мелких переходов требует исключения эффекта каналировапия, полное устранение которого достигается предварительной аморфизацией кремния.

• имплантация, так же как диффузия, может быть общей и локальной. Важным достоинством ИИ является то, что ионы, двигаясь по прямой линии, внедряются только в глубь пластины, а боковая диффузии (под маску) практически отсутствует. При локальном ИЛ возможен независимый выбор примеси профилей в вертикальном и горизонтальном направлениях. Для широкофокусного пучка профиль распределения внедренных ионов в горизонтальном направлении формируется с помощью маски, при этом размеры легированной области более точно, чем при диффузии, воспроизводят размеры окна (рис. 8.25).

• ИИ, как и диффузию, можно проводить многократно, «встраивая» один слой в другой. Однако сочетание энергий, времен экспозиции и режимов отжига, необходимое для многократной ИИ, оказывается затруднительным, поэтому ИИ получила главное распространение при создании одинарных слоев.

  Рис. 8.25. Фронт р-п перехода при ионном (а) и диффузионном (б) локальном легировании

• в отличие от диффузии при ИЛ свойства получаемых слоев в основном определяются внешними электрическими параметрами процесса. ИЛ легко управлять путем изменения ускоряющего напряжения, плотности ионного пучка, угла наклона пучка, времени облучения пластин, а в случае обработки сфокусированным пучком и скорости его сканирования.

Недостатки и ограничения ионного легирования:- необходимость отжига; сложность воспроизводимого легирования слоев толщиной более 1 мкм; сложность однородного легирования пластин большого диаметра из-за расфокусировки луча при больших отклонениях, сложность оборудования.

Отметим также, что применение ионного легирования не ограничено только легированием.

Применение ионного легирования:

• введение примеси (точная дозировка);

• модификация свойств материала;

• создание захороненного слоя оксида кремния;

• геттерирование примеси.